Твёрдые растворы. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Твёрдые растворы - твердотельные двух- или многокомпонентные однородные системы переменного состава (напр., типа А_xB_{1- x}), в к-рых атомы или ионы компонентов, смешиваясь в разл. соотношениях (0<=х<=1), образуют общую кристаллич. решётку, характерную для одного из компонентов. Системы, в состав к-рых -входят изоструктурные компоненты, как правило, образуют из-за неогранич. растворимости непрерывный ряд Т. р. Величина х в этом случае не лимитирована (непрерывные, или неограниченные, Т. р.). Область существования т. н. ограниченных Т. р. (растворимость ограничена) на диаграмме состояния имеет пределы по концентрации, зависящие от температуры Т.

Рис. 1. Схемы расположения атомов в твёрдых растворах: а -чистый элемент А; б - твёрдый раствор замещения элемента В в элементе А; в- химическое соединение АВ; г - твёрдый раствор замещения химического соединения АС в химическом соединении АВ; д - твёрдый раствор внедрения элемента D в элементе А; е - твёрдый раствор вычитания на базе химического соединения АВ, -А; -В; -С; -D.

Различают Т. р. замещения, внедрения и вычитания (рис. 1). В Т. р. з а м е щ е н и я на основе кристаллич. решётки хим. элемента (металла) А атомы элемента В замещают часть атомов сорта А; в Т. р. замещения соединения АС в соединении АВ атомы или ионы сорта С замещают атомы или ионы сорта В (замещение происходит в В-подрешётке кристаллич. решётки). При образовании Т. р. замещения число атомов или ионов в элементарной ячейке остаётся постоянным.

В Т. р. в н е д р е н и я атомы сорта D располагаются в междоузлиях кристаллич. решётки металла А, при этом число атомов в элементарной ячейке увеличивается. Для образования Т. р. внедрения необходимо, чтобы различие атомных размеров компонентов было достаточно велико.

В Т. р. в ы ч и т а н и я на основе соединения АВ часть атомов или ионов сорта В отсутствует (возникают вакансии в В-подрешётке), число атомов в элементарной ячейке меньше, чем у исходного соединения стехиометрич. состава. Возможно одновременное сочетание 2 видов Т. р. (напр., Т. р. внедрения атомов D в Т. р. замещения атомов В в кристаллич. решётке, образованной атомами А). Линейная зависимость межатомных расстояний от x в Т. р. (з а к о н В е г а р д а, L. Vegard) выполняется в немногих случаях; отклонения от закона Вегарда связаны с отличиями упругих, электронных, магнитных и др. свойств компонентов Т. р.

В Т. р. возможно разл. упорядочение в расположении атомов или ионов; в неупорядоченных Т. р. замещения атомы разного сорта произвольно распределены в узлах кристаллич. решётки, т. е. отсутствует дальний и ближний порядок .В Т. р. замещения с ближним порядком есть корреляция в расположении атомов разного сорта в области с конечным радиусом. В Т. р. внедрения атомы одного компонента С образуют регулярную кристаллич. решётку, атомы др. сорта беспорядочно распределены в междоузлиях этой решётки. В упорядоченном Т. р. атомы компонентов образуют несколько вставленных друг в друга кристаллич. подрешёток.

Для двухкомпонентных Т. р. замещения параметр дальнего порядка

где р - доля атомов или ионов сорта А, занимающих "свои" позиции в кристаллич. решётке; q - доля тех же атомов или ионов в "чужих" позициях. Параметром ближнего порядка в неупорядоченных Т. р. служит величина

где N^AB_i- число атомов или ионов сорта В на i-й коор-динац. сфере атома сорта A, N_i - общее число атомов на i-й координац. сфере, с_B - концентрация (атомная доля) атомов сорта В в Т. р. При таком определении a_i для разноимённых ближайших соседей a_i<0 (ближнее упорядочение), для одноимённых - a_i>0 (локальное расслоение Т. р., или с е г р е г а ц и я); знаки a_i для последующих координац. сфер сложным образом зависят от характера упорядочения. При полном отсутствии ближнего порядка все a_i= 0.

В нек-рых случаях - при закалке ограниченных Т. р. от высоких температур, при бездиффузионных полиморфных превращениях в Т. р. (см. Полиморфизм ),при облучении и т. п.- образуется п е р е с ы щ е н н ы й Т. р. Его распад происходит путём образования зародышей выделяющейся из Т. р. фазы или путём бездиффузионного образования двух Т. р. разл. состава (с п и н о д а л ь н ы й р а с п а д), при к-ром возникает т. н. м о д у л и р о в а н н а я с т р у к т у р а. Установлено протекание фазовых переходов 2-го рода при упорядочении твёрдых растворов стехиометрич. составов (напр., в системах Сu-Ag, Сu-Zn и др.).

Физ. свойства Т. р. зависят от их состава и характера упорядочения. Для неупорядоченных металлич. Т. р. внедрения сопротивление р и коэф. теплопроводности к меняются с составом монотонно (при невысоких концентрациях 2-го компонента справедливо Маттиссена правило). В упорядоченных Т. р. на зависимостях r и x от концентрации х компонентов наблюдаются особенности при составах АВ, АВ₂, АВ₃ и т. п., соответствующих определ. типам упорядоченного расположения атомов - сверхструктурам (рис. 2). Изменение сечения рассеяния электронов при установлении или разрушении ближнего порядка приводит к изменениям температурных зависимостей сопротивления, магнетосопротивления и т. п. В большом числе металлических, оксидных и др. Т. р, реализуется сверхпроводимость, почти все они являются сверхпроводниками 2-го рода.

Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления r твёрдых растворов замещения Аu - Сu от содержания Аu для неупорядоченных (1) и упорядоченных (2) твёрдых растворов. ( ат.)

В разбавленных Т. р. переходных и редкоземельных металлов (Mn, Fe, Cr, Co, Y и др.) в Au, Ag, Си при низких темп-pax наблюдается минимум на зависимостях r(Т), обусловленный косвенным обменным взаимодействием между спинами примесных атомов через электроны проводимости Au, Ag, Сu.

Взаимодействие спинов хаотически распределённых магн. атомов приводит к образованию состояния, называемого спиновым стеклом. Для спиновых стёкол характерны отсутствие спонтанной намагниченности, максимум магн. восприимчивости при температуре замерзания T_f, м а гн и т н а я в я з к о с т ь (аномально большое время установления магн. равновесия), линейная зависимость теплоёмкости от температуры при T<<T_f. В состоянии спинового стекла могут находиться не только металлические, но и диэлектрические Т. р. На рис. 3 представлена магн. х-T-диаграмма состояния системы ферримагн. оксидов Li_0,5Fe_2,5-xGa_xO₄, на к-рой в широком диапазоне концентраций (х)и температур реализуются области существования парамагнитного (ПМ), ферримагнитного (ФМ) состояний, а также области существования спинового стекла (СС) и ферримагн. спинового стекла (ФСС). В Т. р. реализуются ферро-, антиферро- и ферримагн. состояния с разл. магн. структурами; макроскопич. магн. свойства Т. р. изменяются в широких пределах.

Рис. 3. Диаграмма магнитных состояний твёрдых растворов замещения в системе Li_0,5Fe_2,5-xGa_xO₄(l,5<x<2,0): 1- линия точек Кюри (Т_C); 2, 3- линии Т_f, 4 - линия фазовых переходов спиновое стекло-ферримагнитное спиновое стекло.

Свойства Т. р. на основе собств. полупроводников чувствительны к характеру и концентрации примесей замещения. При введении примесей с валентностью, большей валентности осн. атомов решётки (доноров), концентрация электронов превышает концентрацию дырок и полупроводник имеет проводимость n-типа (напр., Т. p. As в Ge). В противоположном случае введения акцепторов полупроводник имеет проводимость p-типа (Т. p. Al в Si).

Отличие механич. свойств Т. р. от свойств чистых металлов заключается в повышении прочности в результате изменения дислокационной структуры и включения разл. механизмов взаимодействия дислокаций с растворёнными атомами (см. Дислокация ).Возможны 2 механизма взаимодействия дислокаций с примесными атомами: закрепление (блокирование) неподвижных дислокаций и возникновение трения при движении дислокаций. Изменение механич. свойств имеет место при отрыве движущихся дислокаций от атмосферы примесей (см. Сплавы ).Наличие дальнего и ближнего порядка в Т. р. приводит к дополнит. упрочнению.

Литература по твёрдым растворам

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.